生物医学信号与系统教育启发

本文作者：许佳 单位：第三军医大学电子学与电子工程学教研室

信号与系统课程是生物医学工程专业必修的专业基础课。它的特点是以数学方法研究电信号与电系统的分析与求解，在学科发展中，起着构筑数学研究方法和实际工作之间桥梁的重要作用。一直以来，信号与系统都是一门难学、难教的课程，学生通常反应理论性太强，抽象概念难以理解，也难以贯通复杂难懂的公式与实际工程中应用的联系。如何解决学生在学习过程中的困惑，帮助学生在理解基本理论知识的基础上，学会将理论应用到工程实践中，是我们在授课中一直关注的问题。

1把握课程思想，灌输思维方法

对每门课程来说，绪论课都至关重要，绪论是对课程整体的介绍，首先解决了学生“三W”的问题：Whystudy？Whattostudy？Howtostudy？使学生明确了课程学习的意义、课程结构、课程定位、学习方法。其次通过绪论的讲解灌输课程学习的整体思想、方法。西方教育上一个特点是强调思维方法的学习。本门课程的思想是力求以统一的观点来阐明信号和系统的重要概念，培养学生以系统的观点看待信号处理过程以及电子信号检测系统，使学生在关注细节的同时注重整体，能够以全局的角度考虑问题。因此，从绪论开始就要培养学生整体系统的思维方法，与前期电路课程的学习做出区分，让其思维方式从微观电路过渡到宏观系统。最后在绪论课也可结合学科特点给出一些通过系统实现信号分析的生物医学实例，比如：声纹锁、心电信号提取、脑电信号分析等，强化系统对信号作用的思想，同时也能提高学生学习兴趣，也使学生了解课程在实际工程中的实用性。要教好一门课程，让学生学好一门课程，必须要清楚课程教学的目的所在。只有在这个目的的指导下，才会去思考：如何培养学生学习兴趣，变被动的、应付考试的学习，为主动的、探索性的学习。如何提高教学，让学生不仅能获取更多的知识，而且能得到方法和思想上的提高，实现教学的真正目的。实现学以致用这一最终的教学目的，不仅要教会学生单纯的理论知识，更重要的是学会思维方法，联系实际让学生理解课程知识在实际中的应用。理论上的东西如何在实际工作中应用，可按照该思路去启发学生积极探索，比如：傅里叶变换性质中的信号调制与频谱的搬移性质，在实际中可启发学生利用调制原理，分别将需要传输的若干低频信号的频谱搬移到不同的载波频率附近，并使它们的频谱互不重叠。这样就可以在同一个信道内传送多路信号，实现所谓的“频分复用多路通信”。而最常见的应用实例即为收音机不同频道的收音。

2结合应用特色，丰富教学方法

本门课程的特点是用数学工具解决工程问题，因而对数学基础的要求较高，由于前期学习的高数和复变函数等基础参差不齐，所以在每次新课前的预习是非常必要的，通过自主数学知识的复习，减少新课的理解障碍。信号与系统这门课程理论性很强，内容较抽象，公式和理论推导较多。为帮助学生掌握繁杂的概念，每节新课开始前笔者都先简单回顾上节课的内容，然后说明本节课的目标，以及将要讲述的新知识与前面知识的联系，并且每节新课的最后需要对课程进行总结。同时为培养学生自主学习的能力，每章节后，鼓励学生自行对章节内容做出小结，并提出思考问题鼓励学生结合医学实际进行钻研思考，比如在讲解频域谱特征时，鼓励学生思考常见医学信号的噪声干扰有哪些，频率是什么，是否能用已学过的电路知识进行去除。按照这种方法启发学生拓展知识，让学生积极投入到自主学习中，逐渐让学生发现学习是一个充满探索的、富有成就感的创造性活动。在授课过程中要调动起学生的主动性。一味地灌输新知识并不能挖掘出学生的潜力，因为枯燥的公式推导、繁杂的概念讲解可能导致学生思想不集中，没有学习的重点，或者由于印象的不深刻导致内容的遗忘，所以笔者采用中心问题式教学的方法，每堂课围绕一个重点或难点进行讲解，比如信号分解，围绕分解目的、分解意义、分解方法等展开，过程中采用多种教学手段引导学生积极思考，增强课堂互动性，比如采用动画演示或者其他计算机辅助手段，直观启发周期信号的分解和合成，加深理解傅里叶级数，并启发学生思考信号分解的意义。启发学生得出信号的分解有如下意义[1]：（1）信号近似：利用傅里叶级数将信号拆分成许多项，通过前面几项合成近似信号，该信号具有绝大部分能量。（2）统一分析形式。如不同的连续信号都可以分解为冲激信号，不同的信号只是它们的系数不同。由此可以更深刻地认识这些信号的内在规律。这样为系统分析及电路设计都带来了便利，只须对一种信号形式如冲激信号，研究其系统响应或设计电路。（3）选取有用信号进行处理分析，去除干扰的信息。同时，让学生思考学习典型信号的意义是什么，典型信号对于信号分析有怎样的作用。

3改进教学手段，变抽象为形象

现代化的教学理论教学过程，提倡使用多媒体的教学手段。多媒体课件是文字、图形、图像、动画、声音、音乐等形式的知识载体，其特色在于他是具有一定交互能力的知识载体，也是众多知识点形成的具有非线性结构的知识载体。多媒体课件的教学设计过程是学科领域知识与心理学、教育学和计算机科学相结合的过程，在教授过程中根据学生的实际情况，理论联系实际从而化解概念抽象给理解所带来的困难，并让学生产生兴趣，增加学习的主动性。比如可以用学生感兴趣的视频文件解释信号与系统的基本概念，可以用flash的形式解释连续信号可分解为冲激信号的线性组合等，尽量用比较形象的方式解释抽象概念。但是单纯的多媒体教学并不能满足本课程的需求[2]，作为以数学为基本分析工具的课程，板书是任课老师不可回避的教学手段，合理的采用多媒体与板书结合的教学手段，对学生思维形成是有利的。在必要的公式推导过程中，如果采用课件打出推导过程，有时候并不有利于学生学习，一晃而过的学习方式会造成学生自主推导的困难，因此，对于难以理解或较为复杂的运算，教员亲自的演算示范，及板书带领的思维过程，在理论教学中是必要的。随着科技的发展，一些新的教学手段被引入教学过程。将计算机仿真设计软件用于学生的课堂教学和实验教学之中，可以实现课堂教学和实验教学的实时动态式多媒体教学，使教学难点直观易懂。根据备课教案，在课堂上利用天煌公司的Mat-lab信号仿真包，及NI公司提供的Labview信号处理实验室，对教学内容直接进行演示，达到事半功倍的教学效果；同时，学生经过计算机仿真多媒体教学和参与仿真实验，不仅可加深对信号处理原理、系统时域频域分析方法的理解，而且能提高学习的兴趣，增强学习的自信心和成就感。